Нужна ли область доминирования в имитационных моделях роста древостоев?
Рогозин М.В.
Аннотация
Проанализированы методические аспекты моделей древостоев в работах A. Н. Борисова и В. В. Иванова (далее Авторы). Рассмотрены «область доминирования» и «оптимальные» деревья с наилучшим соотношением их размеров и полигонов питания. Выяснено, что для них были использованы зависимые переменные величины, что не позволяет создавать из них адекватную имитационную модель. Однако Авторы все же создают ее в абстрактном виде, размещая деревья по площади без окон, чего в реальных лесах не бывает. Затем ее сравнивают с другой абстракцией -- статичными состояниями древостоев полнотой 1,0. Далее по выводам из работ других авторов конструируется еще одна абстракция -- таблица «оптимальных» полнот, где в древостоях 50-120 лет с целью увеличения фитомассы крон рекомендуется поддерживать рубками ухода полноту 0,85-0,73. Для верификации этой модели Авторы использовали прирост по радиусу ствола. Однако он не отражает увеличение запаса на всей территории, где при рубке появляются технологические коридоры без деревьев, занимающие 15% площади. В качестве примера объективного подхода обсуждаются работы B. А. Усольцева и М. В. Рогозина. В последней установлено, что площади питания в возрасте 30 лет влияют на диаметр дерева в 55 лет лишь на 9,4±0,2%. Поэтому «области доминирования» привели критикуемых Авторов к созданию моделей, за пределами которых осталось 90% влияния неучтенных факторов. С точки зрения теории рубок ухода Авторы использовали сомнительные научные методы, о которых еще в 1970 гг. предупреждали ведущие лесоводы. Рассмотренные варианты моделей на основе заимствованных из зоологии «областей доминирования» были, по-видимому, последними попытками создания чисто конкурентных моделей -- в лесоводстве наступила эпоха смены парадигмы, когда в дополнение к закону естественного изреживания вводится еще пять законов развития древостоев.
Ключевые слова: структура древостоя, конкуренция между растениями, сотрудничество, таблицы хода роста, имитационные модели.
Is the domain of tree dominance needed in simulation models?
Rogozin M.
Abstract
The methodological aspects of modeling the growth of stands in the works of A. N. Borisov and V. V Ivanov (hereinafter the Authors) are analyzed. The indicator “area of dominance” and models of “optimal” trees with the best size ratio and proportional feeding polygons are considered. It was found out that dependent variables were used in them, which does not allow them to be used in adequate simulation models. However, the Authors still create from them a kind of abstract model of a stand with a quasi-uniform placement of trees, where there are no windows and clusters of trees, which does not happen in reality. Then the model is compared with another abstraction - static states of stands with a completeness of 1.0. Next, a table is constructed-a model of “optimal” completeness according to the conclusions of other authors, according to which, in stands of 50-120 years, it is recommended to maintain a completeness of 0.6-0.7 by thinning to increase of phytomass of crowns. To verify the model, the Authors use an increase in the radius of the trunk. However, such an increase does not reflect an increase in the stock over the entire area, where technological corridors appear during care cutting, which are also not taken into account in the models. As an example of a more objective approach, the works of V A. Usoltsev and M. V. Rogozin. In the latest work, it was found that the feeding areas at the age of 30 years affect the diameter of the tree at 55 years only by 9.4±0.2%. Therefore, “areas of dominance” will lead to the creation of models beyond which 90% of the influence of other factors will remain. From the point of view of the theory of logging, the authors used dubious scientific methods, which were warned about by leading foresters back in the 1970s. The considered variants of imitation models of the growth of stands and models of care based on “areas of dominance” borrowed from zoology were, apparently, the last attempts of this kind - the era of discussion of five new laws of the development of stands and the period of changing scientific paradigms has come in forestry.
Keywords: stand structure, plant competition, cooperation, growth progress tables, simulation models.
Введение
В настоящее время развиваются исследования роста древостоев с использованием многофакторных моделей [1, 2] с анализом внешних и внутренних факторов [3, 4] и взаимодействием деревьев в микроценозах [5-9]. Также развивается имитационное моделирование, т.е. разработка модели какой-либо системы в виде программы и проведение в ней разного рода манипуляций вместо экспериментов с реальной системой. Моделирование является поиском решения задачи в защищенном от рисков мире моделей, в котором мы можем ошибаться, отменять операции, возвращаться в прошлое и начинать все сначала [10]. Это могут быть объекты в целом или их отдельные сущности - процессы и явления [11].
К ряду работ у нас возникли вопросы о степени доверия к их прогнозам касательно развития древостоев после рубок ухода; в них вместо реальной проверки рекомендаций по уходу предлагается использовать имитационные модели [12, 13]. Такие модели чаще всего используются при моделировании сложных систем. Вместе с тем модель представляет собой упрощенное отображение реальности - менее детальное и менее сложное воспроизведение реально существующего объекта или процесса [14].
Однако вместо поиска новых закономерностей с тем, чтобы включить их в модель и сделать ее более адекватной, исследователи иногда идут старыми путями, ссылаясь на то, что модель можно упростить и включают в ее сценарий воздействие только на один из процессов -- на процесс конкуренции между деревьями. Как ни странно, но исследователи рубок ухода, исключая З. Я. Нагимова и В. А. Усольцева [15, 16], даже не пытались оценить конкуренцию количественно, считая ее почти единственным фактором в фитоценозе, значимо влияющим на рост деревьев. В последней статье на эту тему [12] оценку развития древостоя упрощали вообще до одной лишь реакции модельных деревьев в виде изменений прироста по радиусу спустя 20 лет после рубок, а теоретические положения сводились исключительно к тому, что деревья должны повышать прирост при увеличении площадей их питания. Заметим, что это теоретическое положение -- до сих пор рабочая гипотеза, и ее надо доказывать на реальных примерах, тогда как для имитационной модели почему-то делают послабление, и суммация деревьев с некоторой оптимальной «областью доминирования» на абстрактной площади с плотно подогнанными полигонами питания дает ожидаемо высокий запас древесины [12].
Однако реальный древостой не будет защищен от рисков так, как это происходит в имитационной модели, например, от появления окон, прогалин и особенно технологических коридоров при проведении рубок ухода, которые изымают до 15% живых деревьев. Имитационные модели таких рубок абстрактны, и в ряде работ было показано [7, 13], что увеличение продуктивности древостоев после них в реальности не происходит.
Между тем важно отметить, что уже более 30 лет, как в древостоях доказано наличие противоположного конкуренции процесса -- процесса сотрудничества деревьев. Так, в исследованиях В. М. Горячева [17] деревья в биогруппах разносят на 1-2 недели пики своего прироста по диаметру, тем самым распределяя между собой время изъятия минеральных ресурсов питания из почвы и резко снижая конкуренцию в экологической нише. Но Авторы это исключительно важное для развития древостоя явление не принимают во внимание совершенно. В результате конструируется однобокая конкурентная модель. В такой усеченной имитационной модели деревья не имеют права сотрудничать, в том числе образовывать биогруппы, факт существования которых Авторы не обсуждают, как будто их не бывает совсем. Между тем в молодняках [18], в среднем возрасте [19, 20] и в спелых насаждениях [7, 9] в таких биогруппах растут 40-57% деревьев. То есть биогруппы появляются не случайно, влияют на развитие до половины деревьев и должны учитываться в имитационных моделях роста древостоев как неизбежный атрибут. Но этого в предлагаемых моделях нет.
Цель исследования: критический анализ методической основы ряда научных работ, где конкуренцию деревьев предлагается оценивать с помощью введения в научный оборот терминов «доступный ресурс» и «область доминирования», заимствованных из зоологии.
Объекты и методика работ
В качестве объектов для анализа использованы работы А. Н. Борисова и В.В. Иванова [12, 22, 23], З. Я. Нагимова [15, 21] и работы с противоположными взглядами [9, 17, 24, 25]. По ним проведено сравнение ряда принципиальных положений в развитии древостоев, конкуренции между деревьями, ухода за ними и имитационном моделировании этих процессов. Рассмотрены методика исследований и методика моделирования в критикуемых работах в сравнении с другими методиками [15, 21, 26], а также рекомендации для практики. Методика работ -- логический анализ и сравнение исходных материалов, теоретических положений, методов анализа, выводов и рекомендаций у разных авторов.
Анализ материалов
В статье А. Н. Борисова и В. В. Иванова (далее Авторы) с названием «Имитационное моделирование роста сосновых древостоев» [12], которая поступила в редакцию Сибирского лесного журнала 08.02.2022 г., мы начнем с обзора литературы. Сразу укажем, что он устарел, так как из 23-х только 4 работы опубликованы в последние 10 лет. При этом упущена целая монография [26], в которой есть ссылки на три статьи [27-29] по вопросам моделирования роста древостоев. Затем было еще пять статей [30-34] и монография [9]. Итого десять (!) источников по вопросам, которые изучают Авторы, и ни одна не была упомянута в статье [12], как бы завершающей цикл работ с новыми подходами в изучении роста древостоев. Согласимся, что «не заметить» такое число новых работ на интересующую тему невозможно, тем более что шесть из них были опубликованы в лесных журналах. Из такого их умолчания следует, что Авторы намеренно отбрасывают экспериментальные факты тех авторов, которые не укладываются в рамки их теоретических представлений, связанных с введением понятий «доступный ресурс» и «область доминирования». Но тогда надо было бы как-то объяснить читателям, почему «все старое долой, работаем по-новому». Вероятно, это именно тот случай, когда красота терминов очаровывает и авторов, и рецензентов, и читателей. И бдительность притупляется. Но разберем все по порядку.
Информационный след этих терминов начинается с 2013 г. от статьи «Метод оценки распределения ресурса между деревьями в древостое» [22]. На следующий год в журнале «Лесоведение» вышла еще одна статья [23]. В ней «:...предложен метод оценки распределения ресурса между особями и сообществами в экологической нише. Метод основан на выделении областей доминирования (ОД), в которых каждая особь или сообщество оказывают доминирующее влияние.». В статье приводится динамика колоний узкочерепной полевки (конкурентных отношений среди грызунов) и схема горизонтальной структуры соснового древостоя. Авторы утверждает, что «.метод дает адекватную оценку распределения ресурса между особями и сообществами, тогда как методы Штера, Вайе и др., основанные на определении площадей роста, дают систематическое завышение для особей малых размеров и занижение -- для крупных особей. Оценки. на основе ОД таких расхождений не дают».
То есть Авторы утверждают, что их метод точнее и лучше, чем все прежние методы. Но мы попытаемся доказать, что это не так. В статье [23] Авторы приводят диаграммы с несколькими сотнями деревьев в возрасте 36 лет, показывающие:
а) связь площадей роста по Штеру с диаметром ствола при R2 = 0,52;
б) связь областей доминирования с диаметром ствола при R2 = 0,79.
На основе этих фактов Авторы начали утверждать, что «.выявлена тесная зависимость диаметра ствола деревьев от площади их ОД при R2 = 0,79». Получается, факт связи Авторы превратили в зависимость диаметра ствола от площади ОД, а далее, из этой зависимости, появляется рекомендация для практики о том, что площадь питания дерева (область доминирования) надо непременно увеличивать рубками ухода. Казалось бы, все верно. Но здесь произошла подмена нейтрального термина «связь» на термин «зависимость» (с подчинением одного признака другому). Сознательно или неосознанно заменяя слова, Авторы попадают в некую семантическую ловушку, вовлекая в нее также и читателей.
Однако термины эти разные. Связь - это взаимозависимость или механическая соединенность объектов; зависимость -- изменения одной величины, определяемые через изменение других, независимых переменных (в нашем случае ими должны быть площади ОД); влияние - воздействие на объект и приводящее к изменению его свойств. И тут возникает естественный вопрос, является ли ОД независимой переменной величиной? Если является, то изменение ОД будет влиять на изменение диаметра дерева как фактор. Ну а если ОД - зависимая переменная величина, что тогда?
Чтобы разобраться, используем работу «Площадь питания дерева: анализ методов» [33]. В ней сказано, что площадями роста ранее детально занимался З. Я. Нагимов (на которого как раз и ссылаются Авторы), поэтому рассмотрим его работу [15], где сравнивались 4 метода: измерение расстояний между деревьями, полигоны роста по Брауну (с простым делением расстояний между соседями), полигоны по Штеру (с делением расстояний между соседями пропорционально размерам крон их или диаметрам), выборочные круговые площадки и их варианты, включая метод Вейе. Итоги были подведены в докторской диссертации [21] и они показали, что при методе простых полигонов по Брауну были нередки «абсурдные результаты», когда площади питания деревьев 4 и 5 классов Крафта оказывались больше, чем у крупных деревьев. Также отмечалось, что в основе большинства методов лежит предположение о том, что чем больше размеры деревьев, тем больше должны быть (курсив наш) их площади питания. Семь вариантов этих методов З. Я. Нагимов сравнивал при оценке уровня связей площади питания с приростом дерева за 5 лет на четырех участках; выдвигалось положение, что чем выше эта связь, тем точнее и лучше метод [21].
Заметим, что последнее положение сразу уводит оценки в пользу зависимых переменных величин (пропорциональных полигонов), которые уже не могут быть факторами. Кроме того, прирост по радиусу всегда связан с размером дерева и сильнее всего с диаметром, а из пропорциональных полигонов чисто математически (по методике их выстраивания) прямо следует увеличение полигонов вокруг крупных деревьев и уменьшение у мелких. Поэтому априорно связи площади питания с приростом будут малы в методе Брауна и всегда будут выше в методах с полигонами пропорционального типа. Именно этот результат и получился у З. Я. Нагимова [21, с. 305].
Из такого построения полигонов питания следует, что если дерево крупное, то оно «оттягивает» на себя большую площадь питания, т.е. захватывает ее и доминирует на ней. Это метод Штера. Но в более простом методе Брауна этого нет, и если площадь питания крупного дерева оказывается меньше, чем у мелкого, то такой результат представляется «абсурдным» только в случае принятия конкуренции в качестве главного процесса, красной нитью идущего через всю жизнь деревьев в насаждении, т.е. вполне в духе концепции фитоценоза
В. Н. Сукачева [35] и учения Ч. Дарвина, которое биологи никак не могут преодолеть и долго топчутся на месте в теоретическом плане [36, 37]. Тогда, с этих старых позиций, захват деревом среды обитания вполне логичен и происходит, по А. Н. Борисову, точно также, как и между поселениями грызунов в их колониях; в одной из работ он приводит карту с местами их поселения, а рядом показывает карту с такими же областями доминирования у деревьев - получается вполне подходящая аналогия [23].